第九章 单体设备操作
9．1化工机械与设备知识 9．1．1制氢主要设备概况
反应器类：制氢装置的反应器有加氢反应器、脱硫反应器、中低温变换反应器，甲烷化反应器等。低温变换反应器操作温度较低，筒体材质一般为16MnR，其余反应器如果采用热壁结构，筒体材质一般为15CrMoR，也有采用冷壁结构，在反应器内壁加衬一定厚度的隔热材料（如膨胀珍珠岩），筒体材质就可降为16MnR。反应器的内构件通常有分布器、热电偶管等。
塔类设备：酸性水汽提塔，用于酸性水汽提。为了防止酸性介质的腐蚀，主体材质为0Cr18Ni10Ti或复合钢板，通常内装陶瓷填料；二氧化碳吸收塔，主要内构件有除雾器、分液管、分布盘等，通常内装填料（如鲍尔环等），主体材质常用16MnR；二氧化碳再生塔，采用塔盘结构或填料，为防止碱液腐蚀，主体材质常用复合钢板（即碳钢内衬不锈钢）。
冷换设备类：装置的冷换设备主要用于中、低变气的冷却及锅炉水、汽的加热。操作条件较为苛刻，操作介质有腐蚀性，管子一般选用不锈钢（Cr18Ni10Ti等），壳体和管箱也较多采用不锈钢或复合钢板（16MnR+0Cr18Ni9）。还有用于用于提高粗氢温度和降低工业氢温度的冷换设备，降低贫液温度的冷换设备，再生塔重沸器等。此外开工冷却器、开工加热器及压缩机循环气冷却器等冷换设备一般采用碳钢设备。
PSA变压吸附塔：变压吸附塔用于冷却分水后的氢气提纯。其操作压力在2.45MPa与0.03Mpa之间循环变化，因此除常规的压力容器的要求外，还需要根据相关标准进行疲劳分析。主体材质一般为16MnR。为使气体分布均匀及防止吸附剂带出，吸附器底部气体入口装有过滤锥，顶部气体出口装有过滤篮，
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内装分子筛，活性炭和硅胶等吸附剂。
9．1．2制氢装置的设备腐蚀与防腐知识 9．1．2．1腐蚀部位、形态和原因
（1） 转化炉炉管的破坏
转化炉管入口是原料烃和水蒸汽，而在转化催化剂床层反应生成转化气。在炉管外边是燃烧烟气，烟气中含有硫化物和氧化。
转化炉管的工作条件苛刻，管壁工作温度高（850—920℃），内外壁温差大（28~101℃），承受内压引起的工作应力和自重应力，并经受开停工引起的疲劳和热冲击。由于温度及应力共同作用，常在距炉管内表面大约为壁厚的1/3处首先产生微裂纹，再向内、向外表面扩展，造成炉管径向开裂。由于迎火与背火面的温差应力常导致炉管弯曲。
国外曾对32套使用HK-40铸造管的转化炉进行统计。其中有16套转化炉管损坏是由于局部过热引起。局部过热主要是由于催化剂破碎、造成阻力降增加。阻力降增加的原因：
（1） 水被带入炉管内（例如锅炉水位高）使催化剂破碎； （2） 填装催化剂的机械磨损生成的粉末在炉管内积聚；
（3） 由于紧急停车。温度急剧下降炉管收缩，使催化剂受过大压力而破碎。
由于阻力降增加，使通过该管的原料量减少带不走热量，因而使炉管出现过热。
炉管局部过热会使其寿命大为减少。例如HK-40合金铸管在以粗汽油为转化原料时，当管壁温度900℃，压力为4.0MPa理论寿命约为10年。而在950℃时寿命少于3年。操作压力、温度对炉管使用寿命影响见图9-1。
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图9-1 操作压力、温度对炉管寿命的影响 炉管的过热损坏表现为渗碳、蠕变和破裂。
渗碳是指碳向金属或合金内部的扩散侵入。尤其是奥氏体不锈钢，因碳在钢中的固溶度大很容易发生渗碳。在转化炉管，碳来源于高温含碳气体在钢表面分解，并按下式反应析出碳原子：
2CO C + CO2 CO + H2 C + H2O CH4 C + 2H2 C2H6 C + CH4 + H2
渗碳速度与温度有关，温度越高，速度越快，特别是当混合气中有氢存在时，能促进渗碳反应的进行。在过热环境中，容易产生σ相的Cr25Ni20炉管容易发生渗碳作用。
炉管的破裂部位多发生在焊缝上，母材上也时有发生。破裂经常为纵向的。横向裂纹则少见。炉管因铸造缺陷（如疏松，缩孔夹渣及偏析）在使用一定时间后，也产生贯穿壁厚的裂纹。
炉管中的介质腐蚀亦可引起材料的劣化。
如：某厂制氢转化炉管采用HK-40材料，其中有两根炉管选用了ERNiCR-3
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和镍基焊丝（Cr21%、Ni78%、C0.09%、Si0.99%、Ti0.07%）。施焊投用15000小时后，焊缝及热影响区表面隆起、冷后变成疏松多孔。因燃料气含有H2S（100~1000ppm），事故分析认为镍基焊缝道在烟气中有比较高浓度的SO2、O2介质中，受到了高温硫化腐蚀，形成Ni和Ni3S2的共晶反应，生成NiSy液相而遭烧损。
（2） 进出口尾管和集合管的破裂
这类破裂大都多发生在猪尾管与炉管或集合管轴芯呈90°角的进出口处，且多呈环向裂纹，部分出现在焊缝及热影响区。 （3） 烟气余热回收系统
烟气余热回收系统（包括省煤段、原料混合一段、二段和水保护段）是利用转化炉高温烟气的余热预热原料和发生蒸汽。由于燃料含硫，在省煤段等低温部件常出现较严重的露点腐蚀。在高温部位，如混合二段和水保护段，管内外介质温差大（300~737℃），常使碳钢管发生高温氧化、脱碳、蠕变。例如某厂该系统各段的工作条件、用材及存在的主要腐蚀形态见表9-1。
表9-1 某厂烟气余热回收系统工作条件、用材及腐蚀条件
项目 管内介质 管外介质 入口温度，℃ 出口温度，℃ 烟气入口温度，℃ 烟气出口温度，℃ 主要腐蚀形态 材质 原料预热一段 原料 烟气 40 200 315 200 露点腐蚀 20g 原料预热二段 原料 烟气 200 320 707 525 停工露点腐蚀 15CrMo 省煤段 软化水 烟气 104 200 315 170—200 露点腐蚀 20g 混合预热 一段 蒸汽-原料 烟气 220 400 707 525 15CrMo 混合预热二段 蒸汽-原料 烟气 400 500 800 707 局部过热破裂 1Cr18Ni9Ti 水保护段 炉水 烟气 223 223 950 800 局部过热破裂 20g 蒸发段 炉水 蒸汽 烟气 223 223 252 315 20g （4） 中压蒸汽发生器
中压蒸汽发生器是利用700~800℃的转化粗氢气的余热发生2.45~2.94MPa的中压蒸汽。中压蒸汽发生器多采用平管板列管式换热器。设备的结构和材料
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应着眼于有良好的耐热和抗腐蚀性能。为了尽量减少高合金钢的用量，转化气入口端的管板和壳体采用耐火隔热衬里，水垢或水循环不良引起管破裂，故锅炉给水水质和炉管的设计安装正确与否对中压蒸汽发生器能否长期使用起着关键作用。
（5） 中温临氢系统（> 250℃）的腐蚀
这些部位与氢气直接接触的碳钢易发生脱碳和氢脆。 （6） 脱碳系统的高温碳酸钾碱液和湿二氧化碳的腐蚀。
二氧化碳冷凝水溶液，在60℃以下对碳钢的腐蚀尚小，在60℃以上腐蚀性就加重，如再生塔的上部内构件、再生器管线、空冷器及冷凝液流经的管线、设备等是主要的腐蚀部位。
热碳酸钾溶液易引起碳钢材料侵蚀性腐蚀。在流速高的部位会破坏金属表面的保护膜，而加速了金属的腐蚀。如再生塔重沸器管壁温度较高的部位，管表面接触的溶液容易急剧沸腾汽化，汽化后的气体体积成百倍的增大，形成气液夹带，交替冲蚀的爆沸现象，使腐蚀大大加剧。
热碳酸钾溶液腐蚀的主要部位还有贫液和半贫液的叶轮、轴套、泵壳、阀件、吸收塔底部等。
如某制氢装置的脱碳系统，半贫液泵的碳钢叶轮、口环、轴套等运动42小时后就腐蚀报废。贫液泵的碳钢叶传输线、口环、轴套等运动80小时就腐蚀坏。泵壳穿孔，贫富钾液调节阀的不锈钢和碳钢管板间的胀接口穿孔泄漏。
某厂再生塔重沸器、U型18-8不锈钢管，运动28天就有11根管在与管板连接处发生间隙腐蚀穿孔。某厂再生塔塔底隔板17m长的焊缝因腐蚀开裂而倒塌。
9．1．2．2腐蚀控制方法
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